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        工業(yè)機(jī)器人專業(yè)課程理實(shí)一體化教學(xué)設(shè)計(jì)

        2022-11-23 00:14:46顧宇輝
        關(guān)鍵詞:理實(shí)離線編程

        顧宇輝 張 蕊

        (1.上海工程技術(shù)大學(xué)高職學(xué)院 上海 200437;2.上海市高級(jí)技工學(xué)校 上海 200437)

        引言

        在工業(yè)控制與自動(dòng)化裝備快速發(fā)展的背景下,我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化?,F(xiàn)階段,不論是自行設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),還是國(guó)外引進(jìn)的生產(chǎn)線,都將工業(yè)機(jī)器人作為生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要器件。而加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)的建設(shè),特別是實(shí)踐教學(xué)和理論傳授,能夠培養(yǎng)出契合社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合型、實(shí)踐型、應(yīng)用型的人才,從而推動(dòng)我國(guó)先進(jìn)制造裝備的快速發(fā)展。

        一、當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才需求分析

        隨著智能裝備不斷普及,產(chǎn)業(yè)智能化的不斷提高,越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始裝備以工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)的智能設(shè)備,以提高企業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。從前企業(yè)只需要能夠熟練掌握設(shè)備操作的人即可,而現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)法滿足越來(lái)越多先進(jìn)制造企業(yè)的人才需求了。同時(shí),對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō),只熟練掌握某一類型設(shè)備的操作,而不會(huì)其他的應(yīng)用,其個(gè)人的人才競(jìng)爭(zhēng)力已無(wú)法體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)了。通過(guò)調(diào)研、走訪企業(yè)發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在的企業(yè)不再需要僅能夠熟練操作機(jī)器人才,還希望操作者能夠在機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí),能夠根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行故障排除[1]。當(dāng)工作任務(wù)、工藝發(fā)生改變時(shí),能夠根據(jù)新的任務(wù)要求進(jìn)行生產(chǎn)工藝的調(diào)整與設(shè)備的調(diào)試。在這樣的人才需求背景下,以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為方向,培養(yǎng)復(fù)合型、實(shí)用型的工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才的意義變得尤為重大。對(duì)于課程教學(xué)而言,應(yīng)結(jié)合人才發(fā)展需求,在教學(xué)過(guò)程中注重學(xué)生技能的培養(yǎng)。對(duì)于教師而言,應(yīng)打破傳統(tǒng)的以教師教為主的教學(xué)方法,讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中有更多的收獲[2]。

        二、當(dāng)前教學(xué)方法所存在問(wèn)題分析

        在當(dāng)前的職業(yè)教育中,教師普遍采用先理論后實(shí)踐的教學(xué)方式。教師在教學(xué)過(guò)程中需要根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn),將課程劃分為實(shí)訓(xùn)與理論兩大部分。而在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中,卻會(huì)因種種原因在實(shí)訓(xùn)課程的課時(shí)分配上出現(xiàn)少于理論課程課時(shí)的現(xiàn)象,大多數(shù)情況是實(shí)訓(xùn)課時(shí)約占總課時(shí)的30%。出現(xiàn)這樣的情況,很大一部分原因是受制于實(shí)訓(xùn)設(shè)備、條件的影響以及技能教師師資配比不足的影響,不得已刪減技能課時(shí)。在這種授課機(jī)制的影響下,學(xué)生的主觀能動(dòng)性難以得到充分的發(fā)揮,無(wú)法積極地、充分地融入課程實(shí)訓(xùn)教學(xué)的環(huán)節(jié)中,嚴(yán)重影響到課程學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效率。此外,先理論教學(xué)、后實(shí)訓(xùn)教學(xué),這種分開(kāi)教學(xué)的模式還容易存在學(xué)生在后期實(shí)操訓(xùn)練中,由于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)久遠(yuǎn),造成知識(shí)的模糊不清,使得實(shí)踐效果良莠不齊的問(wèn)題。這不僅導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)教學(xué)與理論教學(xué)相互脫節(jié),使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中感覺(jué)比較枯燥,教師在教學(xué)過(guò)程中感覺(jué)疲憊,更嚴(yán)重地影響到課程的教學(xué)質(zhì)量和效果[3]。

        三、“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”課程理實(shí)一體化教學(xué)模式構(gòu)想

        理實(shí)一體化教學(xué)法主要指將實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)相互融通的教學(xué)方法,能夠突破傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)的窠臼,使教學(xué)環(huán)節(jié)更加集中、更加有效,切實(shí)發(fā)揮教師在課程開(kāi)設(shè)與學(xué)生培養(yǎng)中的主體作用,即憑借設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)或教學(xué)任務(wù),讓教師和學(xué)生邊做、邊學(xué)、邊教,全程形成技能與素質(zhì)培養(yǎng)的框架,深化實(shí)踐教學(xué)與課堂教學(xué)的內(nèi)涵,增強(qiáng)教學(xué)的實(shí)效性和針對(duì)性。在理實(shí)一體化教學(xué)過(guò)程中,實(shí)踐與理論相互交替,抽象和直觀交錯(cuò)遞進(jìn),沒(méi)有先理后實(shí),或先實(shí)后理的邏輯順序。工業(yè)機(jī)器人的操作與編程課程主要可分為仿真離線編程、在線示教操作、I/O與坐標(biāo)系設(shè)置、常見(jiàn)報(bào)警故障診斷四大教學(xué)模塊。這四大模塊對(duì)于學(xué)生的理論知識(shí)與實(shí)踐能力都有較高的要求。所以,教師采用理實(shí)一體化的教學(xué)模式可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)與實(shí)踐操作能力,激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)活動(dòng)的積極性和自主性。

        四、“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”課程理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

        理實(shí)一體化實(shí)訓(xùn)課程是將實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的教學(xué)方法,能夠彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)所存在的弊端和不足,提升學(xué)生在教學(xué)中的主體地位,使教師從知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橹R(shí)的服務(wù)者。然而,在將理實(shí)一體化教學(xué)法應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人操作與編程課程時(shí),需要教師明確課程的特征和特點(diǎn),探究學(xué)生在課程學(xué)習(xí)與知識(shí)探究中的行為傾向,從而選擇出優(yōu)質(zhì)的教學(xué)理論、教學(xué)方法或教學(xué)模式作為支撐。在課程總學(xué)時(shí)不變的情況下,針對(duì)理論課時(shí)安排較多,實(shí)踐操作課時(shí)安排較少的問(wèn)題,應(yīng)合理刪減理論課時(shí)數(shù),將刪減的理論課時(shí)分配給實(shí)訓(xùn)課,以彌補(bǔ)實(shí)訓(xùn)課時(shí)過(guò)少的問(wèn)題。增加學(xué)生實(shí)踐操作的時(shí)間可以解決以往學(xué)生理論與實(shí)踐相脫節(jié)的問(wèn)題。通過(guò)理論與實(shí)踐操作的有機(jī)結(jié)合更加有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)。以工業(yè)機(jī)器人在線示教操作為例,目前市面上工業(yè)機(jī)器人的品牌繁多,各家公司的工業(yè)機(jī)器人由于設(shè)計(jì)理念與編程語(yǔ)言的不同,其在使用操作上會(huì)存在較大的區(qū)別,但根據(jù)國(guó)標(biāo)的規(guī)定,不同品牌的機(jī)器人之間在使用還是具有一定的通用性。這對(duì)于專業(yè)教學(xué)而言,在選擇工業(yè)機(jī)器人時(shí),應(yīng)結(jié)合行業(yè)中使用占比較高的品牌,如ABB、發(fā)那科等市場(chǎng)占有率較高及具有一定典型技術(shù)代表機(jī)的工業(yè)器人作為典型案例進(jìn)行教學(xué)使用。而在理論教學(xué)過(guò)程中應(yīng)選擇使用Robort Studio、PQArt等知名的工業(yè)機(jī)器人企業(yè)開(kāi)發(fā)的離線仿真軟件進(jìn)行演示教學(xué),讓學(xué)生在電腦上先模擬工業(yè)機(jī)器人的操作,了解操作規(guī)范,熟悉操作流程。當(dāng)完成一定教學(xué)課時(shí)數(shù)后,學(xué)生已初步掌握一定的工業(yè)機(jī)器人操作要領(lǐng)后,再讓學(xué)生到實(shí)訓(xùn)室中操作真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備。對(duì)于教師而言,學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中所要注意的一系列規(guī)范要求,可以在模擬仿真教學(xué)中結(jié)合真實(shí)的操作要求展開(kāi),并針對(duì)性地進(jìn)行講解。通過(guò)采用理實(shí)一體化的教學(xué)方式,可以解決因設(shè)備數(shù)量不足的原因而無(wú)法滿足學(xué)生對(duì)技能學(xué)習(xí)的需求,同時(shí)在一定程度上避免學(xué)生因初次使用設(shè)備,對(duì)設(shè)備不熟悉而造成機(jī)器的不必要損壞。

        五、“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”課程實(shí)施理實(shí)一體化教學(xué)法的意義

        “工業(yè)機(jī)器人操作與編程”是一門實(shí)用性與操作性都很強(qiáng)的課程,同時(shí)該課程是工業(yè)機(jī)器人本體裝配調(diào)試、編程操作及報(bào)警故障診斷、設(shè)備維護(hù)等后續(xù)專業(yè)課程的前置基礎(chǔ)課,該課程也是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成競(jìng)賽、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用競(jìng)賽等的前置基礎(chǔ)培訓(xùn)課程。通過(guò)該門課程的學(xué)習(xí),學(xué)生能夠掌握工業(yè)機(jī)器人仿真軟件的使用、工業(yè)機(jī)器人在線示教、離線示教操作等技能,并掌握離線編程技術(shù)應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成、工業(yè)機(jī)器人I/O信號(hào)配置、坐標(biāo)系設(shè)置與選擇應(yīng)用,以及常見(jiàn)報(bào)警代碼的故障診斷等能力。

        六、“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”課程課題的選擇

        本次教學(xué)的課題選擇汽車門板涂膠軌跡編程作業(yè)為案例進(jìn)行教學(xué)。工業(yè)機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中占據(jù)著重要地位,尤其是汽車行業(yè)的快速發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人能夠自主動(dòng)作,廣泛應(yīng)用到不同生產(chǎn)環(huán)節(jié),方便快捷地進(jìn)行生產(chǎn)。涂膠作業(yè)作為汽車生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié),涂膠的質(zhì)量直接影響整車生產(chǎn)的質(zhì)量,因此選擇工業(yè)機(jī)器人來(lái)完成此項(xiàng)作業(yè),不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量,還提高了生產(chǎn)效率。因此,教師選擇這一課題進(jìn)行教學(xué),通過(guò)將實(shí)際生產(chǎn)與教學(xué)的相結(jié)合,能夠讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更加貼近實(shí)際,培養(yǎng)的人才更符合實(shí)際生產(chǎn)的需要。

        七、“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”課程理實(shí)一體化教學(xué)法實(shí)施的方法

        以工業(yè)機(jī)器人仿真軟件的使用為例進(jìn)行分析,課程教學(xué)中使用Robort Studio離線仿真軟件并選擇軟件模型庫(kù)中的ABB 4600型工業(yè)機(jī)器人,與實(shí)操訓(xùn)練的機(jī)器人機(jī)型保持一致。根據(jù)課程安排,涂膠軌跡編程作業(yè)教學(xué)實(shí)施過(guò)程中,可以分為兩大部分進(jìn)行。一是仿真教學(xué),具體包括:工業(yè)機(jī)器人作業(yè)場(chǎng)景建立、工業(yè)機(jī)器人控制住系統(tǒng)創(chuàng)建、工業(yè)機(jī)器人軌跡程序離線示教編寫。二是實(shí)操教學(xué),具體包括:工業(yè)機(jī)器人本體與控制柜、涂膠工具的連接、工業(yè)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)上下電操作規(guī)范、工業(yè)機(jī)器人零點(diǎn)、涂膠工具校準(zhǔn)、涂膠軌跡程序在線示教編寫、離線程序?qū)牍I(yè)機(jī)器人操作。具體的教學(xué)實(shí)施流程如下。

        1.使用Robort Studio軟件導(dǎo)入ABB 4600型工業(yè)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人控制柜、工具、工件等,并根據(jù)實(shí)操場(chǎng)地的布局,完成仿真實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景的布局。

        2.根據(jù)作業(yè)要求,在仿真軟件中對(duì)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行配置、作業(yè)工具進(jìn)行安裝等。其中在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)配置時(shí),主要配置內(nèi)容有:工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)語(yǔ)言設(shè)置、工業(yè)機(jī)器人通訊類型配置等一系列基礎(chǔ)設(shè)置,并生成控制系統(tǒng)。在作業(yè)工具選擇方面,應(yīng)按實(shí)際生產(chǎn)中所用到的工具進(jìn)行配置,如仿真軟件中自帶的工具無(wú)法滿足需求的,則應(yīng)根據(jù)實(shí)際中使用工具的進(jìn)行建模,以保證仿真最大限度地貼近實(shí)操作業(yè)。

        3.涂膠軌跡離線編程,根據(jù)作業(yè)要求在仿真軟件中使用離線編程技術(shù),創(chuàng)建車門外框涂膠的軌跡路徑點(diǎn),同時(shí)對(duì)所創(chuàng)建的軌跡點(diǎn)進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整,避免工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)出現(xiàn)奇點(diǎn)報(bào)警。

        4.仿真設(shè)定,根據(jù)作業(yè)要求設(shè)置仿真條件,驗(yàn)證離線編程所創(chuàng)建的軌跡是否能夠符合要求。

        5.完成仿真驗(yàn)證后,將離線編程的路徑軌跡數(shù)據(jù)同步生成RAPID程序,通過(guò)仿真軟件中并模擬示教器進(jìn)行查看并驗(yàn)證。

        至此,仿真教學(xué)內(nèi)容已完成,通過(guò)模擬仿真訓(xùn)練,讓學(xué)生在接觸真實(shí)的工業(yè)機(jī)器人之前,能夠?qū)C(jī)器人的操作有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí),并了解工業(yè)機(jī)器人軌跡編程的操作要點(diǎn)及操作規(guī)范,為后續(xù)在實(shí)操課程中操作真實(shí)的工業(yè)機(jī)人打下良好的基礎(chǔ)。實(shí)操課程的教學(xué)則將仿真教學(xué)中的成果在真實(shí)的機(jī)器上進(jìn)行驗(yàn)證,具體實(shí)施過(guò)程,此處不做具體論述。

        八、課程拓展

        生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于工業(yè)機(jī)器人人才的需求是多樣的復(fù)合型的,不僅需要會(huì)操作機(jī)器人的人,還需要操作者具有一定故障判別與簡(jiǎn)單的檢修的綜合能力,因此工業(yè)機(jī)器人操作與編程這門課程在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí),可以考慮在工業(yè)機(jī)器人基本操作與編程教學(xué)中,增加一部分故障檢修的教學(xué)內(nèi)容作為教學(xué)的拓展。該部分教學(xué)內(nèi)容對(duì)于學(xué)生的動(dòng)手能力與知識(shí)綜合應(yīng)用能力有著較好的提升作用。教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握的實(shí)際情況,在教學(xué)過(guò)程中側(cè)重于工業(yè)機(jī)器人故障的判別與排除方面。教師可以結(jié)合學(xué)生在實(shí)操訓(xùn)練時(shí)工業(yè)機(jī)器人所出現(xiàn)頻次較多的故障作為實(shí)例進(jìn)行拓展教學(xué),教授學(xué)生檢查與排除的方法。通過(guò)這樣的方法加深所學(xué)知識(shí)的印象,增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)采用學(xué)中做、做中學(xué)的教學(xué)方式,使學(xué)生能夠更好地理解知識(shí),并將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中。

        九、制定考核辦法

        工業(yè)機(jī)器人操作與編程是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門課,在教學(xué)過(guò)程中,不僅要相應(yīng)地增加實(shí)操課程的課時(shí)數(shù)比例[4]。同時(shí)課程的考核方式上也要與其他課程有所區(qū)分,結(jié)合理實(shí)一體化教學(xué)法強(qiáng)調(diào)做中學(xué)、學(xué)中做的教學(xué)特點(diǎn)。該門課程的考核可采用應(yīng)知考試與應(yīng)會(huì)操作考核相結(jié)合的形式,在編排考試考核的內(nèi)容時(shí),考查的范圍要有一定的廣度,不能僅局限于書本知識(shí)的選擇,要結(jié)合學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中出現(xiàn)次數(shù)較多的問(wèn)題與實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常碰到的問(wèn)題作為典型案例放在考核中,以增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人操作與編程這門課程的成績(jī)分配,可以將應(yīng)知考試的成績(jī)與應(yīng)會(huì)考核的成績(jī)按應(yīng)知占30%與應(yīng)會(huì)占70%的比例進(jìn)行分配。其中應(yīng)會(huì)考核中,涉及仿真軟件使用與實(shí)機(jī)操作,這兩部分內(nèi)容的成績(jī)分配可以按仿真軟件離線編程操作占40%,實(shí)機(jī)在線示教操作占60%的比例進(jìn)行分。教師在采用虛實(shí)結(jié)合、理實(shí)結(jié)合的考試方法增強(qiáng)學(xué)生的操作動(dòng)手能力,完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu),增強(qiáng)學(xué)生綜合應(yīng)用能力,培養(yǎng)符合企業(yè)生產(chǎn)所需要的復(fù)合型技能人才。

        結(jié)語(yǔ)

        強(qiáng)調(diào)實(shí)踐操作是“工業(yè)機(jī)器人操作與編程”這門課的特點(diǎn),也是當(dāng)下企業(yè)對(duì)復(fù)合型技能人才的要求。在工業(yè)機(jī)器人專業(yè)課程教學(xué)中采用理實(shí)一體化的教學(xué)方法,能夠切實(shí)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題、弊端及不足,深化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解,強(qiáng)化實(shí)踐操作技能的應(yīng)用,幫助學(xué)生更好地提升綜合應(yīng)用能力。經(jīng)過(guò)對(duì)教學(xué)方法、內(nèi)容、課時(shí)、考試模式等諸多方面的改革,將教學(xué)過(guò)程中較為分散的知識(shí)串聯(lián)起來(lái),以提高學(xué)生動(dòng)手操作能力。對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行模塊劃分,以適應(yīng)社會(huì)對(duì)工業(yè)機(jī)器人專業(yè)人才的需求,為學(xué)生獲得更好的職業(yè)發(fā)展、專業(yè)成長(zhǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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